與機(jī)器人為伴，快樂成長

劉俊佳

葛家威和李和諧是一對(duì)好伙伴，一踏入黃土嶺小學(xué)就被劉老師的機(jī)器人社團(tuán)深深地吸引住了——一個(gè)一個(gè)小小的零件組裝在一起竟然有意想不到的力量，能收放自如，并能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成各種任務(wù)。懷著強(qiáng)烈的好奇心，這對(duì)好伙伴開啟了他們神奇的機(jī)器人之旅。

機(jī)器人好玩，但是要玩好并沒有那么簡單。玩好機(jī)器人不僅要熟悉各個(gè)零件的作用以及拼搭技巧，還要學(xué)會(huì)編程，讓機(jī)器人“聽話”地動(dòng)起來。在每一次機(jī)器人社團(tuán)課上，劉老師總是告訴大家：“只有想不到的，沒有做不到的，只要你敢想，機(jī)器人就會(huì)帶給你驚喜?！苯?jīng)過三年的訓(xùn)練，這對(duì)好伙伴由最開始的不知所措慢慢變得淡定從容，手里的機(jī)器人也由開始的“橫沖直撞”變得“言聽計(jì)從”。而這一切，劉老師都看在了眼里，是時(shí)候給這對(duì)勤奮而有悟性的小伙伴更大的挑戰(zhàn)了——參加FLL機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽。

FLL機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽分為現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)技、技術(shù)問辯、課題研究、團(tuán)隊(duì)合作四個(gè)方面。該挑戰(zhàn)賽每年設(shè)置一個(gè)主題，圍繞主題設(shè)計(jì)十余項(xiàng)任務(wù)，由機(jī)器人在固定場(chǎng)地內(nèi)完成，同時(shí)要求參賽團(tuán)隊(duì)結(jié)合生活對(duì)這個(gè)主題開展課題研究，最后在技術(shù)問辯時(shí)進(jìn)行課題介紹和展示團(tuán)隊(duì)風(fēng)采，這是對(duì)參賽隊(duì)員的一次綜合、全面的考察。2018年FLL機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽的主題是“飲水思源”，旨在引導(dǎo)學(xué)生了解人類為滿足特定需要或愿望而尋找、運(yùn)輸、使用和處理水資源的方法，并學(xué)習(xí)保護(hù)水資源的相關(guān)知識(shí)。這對(duì)好伙伴接到挑戰(zhàn)任務(wù)后，便開始忙碌起來。

擋在他們面前的第一道關(guān)卡就是如何做好保護(hù)水資源的課題研究，作為課題研究“小白”的葛家威和李和諧不知從何下手，于是他倆帶著疑惑，找到了劉老師。劉老師給他倆出了個(gè)主意：“去污水處理廠看看，找找靈感?！甭犃藙⒗蠋煹慕ㄗh，這對(duì)好伙伴茅塞頓開，相約走訪了長沙市岳麓區(qū)污水處理廠，了解了污水處理的過程，也于工作人員處得知由于城市的快速發(fā)展，岳麓區(qū)污水處理廠已滿負(fù)荷運(yùn)行。隨后，他們?cè)O(shè)計(jì)了調(diào)查問卷，對(duì)黃土嶺小學(xué)四年級(jí)的師生進(jìn)行了問卷調(diào)查。他們發(fā)現(xiàn)污染、浪費(fèi)水資源的現(xiàn)象仍比較普遍，并在水資源的循環(huán)利用和治理保護(hù)方面就個(gè)人層面和政府層面給出建議，完成了課題研究報(bào)告。

緊接著，葛家威和李和諧認(rèn)真學(xué)習(xí)了“飲水思源”的場(chǎng)地挑戰(zhàn)任務(wù)，分步驟有序地搭建機(jī)器人車體，組裝機(jī)械臂。

第一步，挑選驅(qū)動(dòng)電機(jī)。劉老師說過，要想機(jī)器人穩(wěn)定發(fā)揮，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇至關(guān)重要。因此，這對(duì)小伙伴搭建機(jī)器人車體的第一步便是挑選驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在劉老師的引導(dǎo)下，通過聽電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音和實(shí)地調(diào)試，他們挑選出了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢極其接近的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

第二步，搭建機(jī)器人車體。通過上網(wǎng)觀看國內(nèi)外一些FLL機(jī)器人挑戰(zhàn)賽的視頻，葛家威和李和諧發(fā)現(xiàn)目前比較流行的機(jī)器人搭建策略是車體和機(jī)械臂分離，這就是說車體主要作為驅(qū)動(dòng)和定位裝置，盡可能少地作為完成任務(wù)的策略物。完成任務(wù)的策略物完全獨(dú)立于車體，這樣搭建的車體簡單但很結(jié)實(shí)、很靈活，換機(jī)械臂也更為方便。于是，根據(jù)場(chǎng)地要求，他們利用平時(shí)所學(xué)的互鎖結(jié)構(gòu)，選擇了用于精準(zhǔn)定位的光電傳感器和方便操作的觸碰傳感器，設(shè)計(jì)了簡單小巧而又結(jié)實(shí)的車體。

第三步，規(guī)劃任務(wù)運(yùn)行路線。搭建好車體之后，更大的難題接踵而至，F(xiàn)LL比賽的場(chǎng)地挑戰(zhàn)任務(wù)這么多，能一次完成嗎？不能一次完成的話，要怎么合理地規(guī)劃任務(wù)運(yùn)行路線呢？這對(duì)小伙伴百思不得其解，于是向劉老師求助。劉老師指出：“所有的場(chǎng)地挑戰(zhàn)任務(wù)很難一次完成，我們必須合理地規(guī)劃任務(wù)運(yùn)行路線。在規(guī)劃任務(wù)運(yùn)行路線時(shí)須注意幾點(diǎn)：一、機(jī)器人能走直線就走直線，盡可能少轉(zhuǎn)彎（轉(zhuǎn)彎帶來的偶然誤差要比走直線的誤差大）;二、機(jī)器人出去一趟，一般完成3～5個(gè)任務(wù)為宜，如果任務(wù)過多，會(huì)增加機(jī)械臂設(shè)計(jì)和編程的難度，一旦失誤會(huì)對(duì)比賽的結(jié)果造成嚴(yán)重的影響;三、在設(shè)計(jì)任務(wù)運(yùn)行路線時(shí)盡可能讓每條路線互不干擾，這樣一來即使第一次任務(wù)完不成也不至于影響后面的幾次任務(wù);四、由于時(shí)間限制，任務(wù)運(yùn)行路線一般不宜超過五條?！甭犕曛?，他倆根據(jù)劉老師的建議設(shè)計(jì)了五條互不干擾的路線來完成場(chǎng)地挑戰(zhàn)任務(wù)。

第四步，設(shè)計(jì)機(jī)械臂。這對(duì)小伙伴設(shè)計(jì)好任務(wù)運(yùn)行路線后，就著手設(shè)計(jì)機(jī)械臂。葛家威和李和諧花了很長時(shí)間，拼了又拆，拆了又拼，反反復(fù)復(fù)地進(jìn)行測(cè)試、改進(jìn)，終于利用堅(jiān)固的互鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了各條路線上模塊化、可更換的機(jī)械臂?？墒牵?dāng)他們沉浸在成功的喜悅中時(shí)，問題來了：為什么機(jī)械臂裝到車體上要么不穩(wěn)，要么會(huì)卡住呢？為什么機(jī)械臂一個(gè)任務(wù)一個(gè)任務(wù)地完成比較穩(wěn)定，但是在一條運(yùn)行線路上完成多個(gè)任務(wù)的時(shí)候會(huì)相互干擾，從而影響成功率呢？劉老師適時(shí)出現(xiàn)了，他說：“家威、和諧，你們仔細(xì)檢查一下機(jī)械臂，看設(shè)計(jì)夠簡約嗎？有沒有無意義的單位出現(xiàn)？”這對(duì)小伙伴一檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂上有一條梁多出了一個(gè)單位，不仔細(xì)看還真發(fā)現(xiàn)不了，但就是多出的這一個(gè)單位壞了事兒，怪不得老是卡住。這對(duì)小伙伴將梁換小一個(gè)單位，問題迎刃而解。劉老師笑道：“能夠細(xì)心地發(fā)現(xiàn)問題并想出解決辦法，很棒！你們?cè)倏纯?，機(jī)器人行走的路程能不能更短？能不能讓機(jī)器人不移動(dòng)就完成多個(gè)任務(wù)？”家威想了想，說道：“我們是不是能把機(jī)器人停到一個(gè)合適的位置，讓它把周圍的任務(wù)一起完成了呢？” 劉老師鼓勵(lì)道：“很聰明，一點(diǎn)就通，你們?cè)俑鶕?jù)自己的想法試試！”這對(duì)小伙伴有商有量，拆拆拼拼，還真把他們的設(shè)想實(shí)現(xiàn)了。

機(jī)器人車體搭好了，機(jī)械臂也已設(shè)計(jì)完成了，怎樣才能讓它們好好合作，聽話地動(dòng)起來，按照既定路線去完成相應(yīng)的任務(wù)呢？這就必須給機(jī)器人編寫有效的指令才行。簡單的指令完成一個(gè)任務(wù)還行，完成一條路線上的多個(gè)任務(wù)成功率就低很多。這對(duì)小伙伴犯愁了，他們又一次向劉老師求助。劉老師說：“在程序設(shè)計(jì)方面應(yīng)盡量采用簡單的程序模塊，運(yùn)用多種矯正方式來矯正機(jī)器人的行進(jìn)路線，如盡可能利用場(chǎng)地模型、靠墻定位等讓機(jī)器人更加穩(wěn)定地完成任務(wù)。”這對(duì)小伙伴對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了微調(diào)，并在劉老師的幫助下對(duì)程序進(jìn)行了再設(shè)計(jì)，經(jīng)過多次調(diào)試，機(jī)器人越來越聽話了，越來越穩(wěn)定了。

這對(duì)小伙伴急著想證明自己，比賽終于在他們的期盼中如約而至。比賽前測(cè)試場(chǎng)地時(shí)，他們根據(jù)場(chǎng)地情況調(diào)試機(jī)器人、修改指令;比賽時(shí)，他們沉著冷靜、配合默契;技術(shù)答辯時(shí)，他們娓娓道來。最終，他們獲得了湖南省青少年機(jī)器人競(jìng)賽一等獎(jiǎng)的好成績。但是，這對(duì)小伙伴沒有驕傲自滿、停滯不前。嘗到了甜頭的他們將更大的熱情投入了機(jī)器人的神秘探索中，朝著機(jī)器人大師的方向努力，希望以后能設(shè)計(jì)出很多很多為人類服務(wù)的機(jī)器人。

（編輯 巧克力）